KR20180050958A - 고용량 이차전지 - Google Patents

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KR20180050958A
KR20180050958A KR1020160147629A KR20160147629A KR20180050958A KR 20180050958 A KR20180050958 A KR 20180050958A KR 1020160147629 A KR1020160147629 A KR 1020160147629A KR 20160147629 A KR20160147629 A KR 20160147629A KR 20180050958 A KR20180050958 A KR 20180050958A
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양호정
김경환
박휘열
임성진
정희수
허진석
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삼성전자주식회사
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Abstract

고용량 이차전지가 개시된다. 개시된 이차전지는, 복수개의 단위셀이 적층된 구조를 가지면, 상기 단위셀들 각각은 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층; 및 상기 제1 및 제2 집전체층 사이에 마련되는 것으로, 외부로 노출된 외측면이 절연되도록 마련된 3차원 전극구조체;를 포함한다. 여기서, 상기 단위셀들은 상기 제1 집전체층들이 서로 마주보고, 상기 제2 집전체층들이 서로 마주 보도록 적층된다.

Description

고용량 이차전지{Secondary battery having high capacity}
이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 높은 에너지 밀도를 가지는 고용량 이차전지에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬 이차전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다. 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 주로 리튬계 산화물을 사용하고 있으며, 리튬 전지의 음극 활물질로는 주로 탄소재를 사용하고 있다. 최근에는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 3차원 구조의 전극을 이용한 고용량 이차 전지가 개"u되고 있다.
예시적인 실시예는 높은 에너지 밀도를 가지는 고용량 이차전지을 제공한다.
일 측면에 있어서,
복수개의 단위셀이 적층된 이차전지에 있어서,
상기 단위셀들 각각은,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층; 및
상기 제1 및 제2 집전체층 사이에 마련되는 것으로, 외부로 노출된 외측면이 절연되도록 마련된 3차원 전극구조체;를 포함하고,
상기 단위셀들은 상기 제1 집전체층들이 서로 마주보고, 상기 제2 집전체층들이 서로 마주 보도록 적층되는 이차전지가 제공된다.
상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 것으로 절연물질을 포함하는 고체 전해질막, 및 상기 고체 전해질막에 마련되며 상기 고체 전해질막의 외측면을 노출시키는 제2 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 고체 전해질막, 상기 고체 전해질막에 마련되는 제2 활물질층, 및 상기 제2 활물질층의 외측면에 마련되는 절연막을 포함할 수 있다.
상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다. 그리고, 상기 제1 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다.
상기 단위셀들 각각은 상기 제1 집전체층으로부터 연장된 제1 리드선 및 상기 제2 집전체층으로부터 연장된 제2 리드선을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 리드선 중 상기 제1 집전체층과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련되며, 상기 제2 리드선 중 상기 제2 집전체층과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련될 수 있다.
상기 이차전지는 상기 적층된 단위셀들은 감아서 고정하여 지지하는 적어도 하나의 고정 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 인접한 단위셀들의 서로 마주보는 제1 집전체층들은 일체로 형성되며, 상기 인접한 단위셀들의 서로 마주보는 제2 집전체층은 일체로 형성될 수 있다. 상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체에 부착된 금속 호일(metal foil)을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
복수개의 단위셀이 적층된 이차전지에 있어서,
상기 단위셀들 각각은,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층; 및
상기 제1 및 제2 집전체층 사이에 마련되는 3차원 전극구조체;를 포함하고,
상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체 보다 작은 크기를 가지며,
상기 단위셀들은 상기 제1 집전체층들이 서로 마주보고, 상기 제2 집전체층들이 서로 마주 보도록 적층되는 이차전지가 제공된다.
상기 제1 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다.
상기 3차원 전극구조체는 노출된 외측면이 절연되도록 마련될 수 있다.
상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 것으로 절연물질을 포함하는 고체 전해질막, 및 상기 고체 전해질막에 마련되며 상기 고체 전해질막의 외측면을 노출시키는 제2 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 고체 전해질막, 상기 고체 전해질막에 마련되는 제2 활물질층, 및 상기 제2 활물질층의 외측면에 마련되는 절연막을 포함할 수 있다.
상기 단위셀들 각각은 상기 제1 집전체층으로부터 연장된 제1 리드선 및 상기 제2 집전체층으로부터 연장된 제2 리드선을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 리드선 중 상기 제1 집전체층과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련되며, 상기 제2 리드선 중 상기 제2 집전체층과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련될 수 있다.
상기 이차전지는 상기 적층된 단위셀들을 감아서 고정하여 지지하는 적어도 하나의 고정 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 인접한 단위셀들의 서로 마주보는 제1 집전체층들은 일체로 형성되며, 상기 인접한 단위셀들의 서로 마주보는 제2 집전체층은 일체로 형성될 수 있다. 상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체에 부착된 금속 호일(metal foil)을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층; 및
상기 제1 및 제2 집전체층 사이에 마련되는 것으로, 외부로 노출된 외측면이 절연되도록 마련된 3차원 전극구조체;를 포함하는 이차전지의 단위셀이 제공된다.
실시예에 의하면, 높은 종횡비를 가지는 활물질을 이용하여 3차원 구조의 단위셀들을 제작하고, 이러한 단위셀들을 같은 극성을 가지는 집전체들이 서로 마주 보도록 적층함으로써 에너지 밀도 및 율특성(rate capability)이 향상된 고용량의 이차전지를 구현할 수 있다.
절연 물질을 포함하는 고체 전해질막의 외측면을 외부로 노출시킴으로써 3차원 전극구조체의 외측면이 절연성을 확보할 수 있게 되며, 이에 따라 제2 활물질층이 제1 집전체층이나 제1 리드선과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 집전체층을 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지도록 마련하여 3차원 전극구조체의 외부로 노출되지 않게 함으로써 제2 집전체층이 제1 집전체층이나 제1 리드선과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 제1 집전체층과 연결되는 제1 리드선에는 제1 절연부재를 마련하고 제2 집전체층과 연결되는 제2 리드선에는 제2 절연부재를 마련함으로써 제1 및 제2 리드선이 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 외측에 절연성이 확보된 고용량의 이차전지는 그 수명이 증대됨으로써 모바일 기기나 웨이러블 기기 등에 장시간 활용할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차전지의 분리 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 이차전지 단위셀의 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 본 단면도이다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 단위셀을 도시한 것이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 단위셀을 도시한 것이다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 단위셀을 도시한 것이다.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다.
도 10a 내지 도 16은 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 17 내지 도 21은 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 이차전지의 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이차전지(100)는 수직 방향(도 1 및 도 2에서 z 방향)으로 적층된 복수의 단위셀(110,110')을 포함한다. 여기서, 단위셀들(110,110') 각각은 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층(111,112)과, 이 제1 및 제2 집전체층(111,112) 사이에 마련되는 3차원 전극구조체를 포함한다. 한편, 도 1 및 도 2에는 이차전지(100)가 3개의 단위셀(110,110')을 포함하는 경우가 예시적으로 도시되었으며, 이외에도 이차전지(100)는 2개 또는 4개 이상의 단위셀을 포함하는 것도 얼마든지 가능하다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 이차전지의 단위셀(110) 평면도가 도시되어 있으며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 본 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 이차전지(100)의 단위셀(110)은 제1 집전체층(111)과, 제1 집전체층(111)에 마련되는 3차원 전극구조체와, 3차원 전극구조체에 마련되는 제2 집전체층(112)을 포함할 수 있다.
제1 집전체층(111)은 예를 들면 양극 집전체층이 될 수 있다. 이러한 제1 집전체층(111)은 예를 들면, Al, Ni 등과 같은 집전 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
3차원 전극구조체는 제1 집전체층(111)의 상면에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층(121)과, 제1 활물질층(121)에 마련되는 고체 전해질막(130)과, 고체 전해질막(130)에 마련되는 제2 활물질층(122)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 활물질층들(121) 각각은 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 3차원 구조물을 포함할 수 있다. 여기서, 종횡비는 3차원 구조물의 폭과 높이의 비율을 의미한다. 제1 활물질층들(121) 각각은 예를 들면, 1:1 이상의 종횡비를 가질 수 있지만, 이는 단지 예시적인 것이다. 제1 활물질층(121)은 양극 활물질층이 될 수 있다. 이러한 제1 활물질층(121)은 예를 들면 LiMO2 (여기서, M은 Co, Ni 및 Mn 중 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
고체 전해질막(130)은 다수의 제1 활물질층(121)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다. 또한 이 고체 전해질막(130)은 제1 활물질층들(121) 사이의 제1 집전체층(111)의 상면을 덮도록 마련될 수 있다. 고체 전해질막(130)은 절연성 물질, 예를 들면 Li 기반의 절연성 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 고체 전해질막(130)은 LiPON(lithium phosphorus oxynitride) 또는 LiSiPON(lithium silicophosphate) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 활물질층(122)은 고체 전해질막(130)의 외측면을 제외하고 고체 전해질막(130)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다. 제2 활물질층(122)은 음극 활물질층이 될 수 있다. 이러한 제2 활물질층(122)은 예를 들면 Li 등을 포함할 수 있지만. 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 활물질층(122)에 의해 고체 전해질막(130)의 외측면은 외부로 노출될 수 있다. 이와 같이, 절연 물질을 포함하는 고체 전해질막(130)의 외측면이 외부로 노출되게 되므로, 3차원 전극구조체의 외측면은 절연이 될 수 있다.
제2 집전체층(112)은 제2 활물질층(122)의 상면에 마련될 수 있다. 이러한 제2 집전체층(112)은 금속 호일(metal)을 제2 활물질층(122)의 상면에 부착함으로써 마련될 수 있다. 여기서, 금속 호일은 예를 들면 대략 3㎛ ~ 10㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제2 집전체층(112)은 음극 집전체층이 될 수 있다. 제2 집전체층(112)은 예를 들면, Cu 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
제1 집전체층(111)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다. 제1 집전체층(111)이 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 경우에 제1 집전체층(111)은 3차원 전극구조체의 외부로 돌출되게 마련될 수 있다. 도 3 및 도 4에는 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 제1 집전체층(111)이 3차원 전극구조체 밖으로 돌출되게 마련된 경우가 도시되어 있다. 여기서, 제1 집전체층(111)이 돌출된 크기(h1)는 대략 500㎛ ~ 3mm 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
제2 집전체층(112)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다. 제2 집전체층(112)이 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 경우에 제2 집전체층(112)은 3차원 전극구조체의 내측에 마련될 수 있다. 도 3 및 도 4에는 차원 전극구조체보다 작은 크기를 가진 제2 집전체층(112)이 3차원 전극구조체의 내측에 마련된 경우가 도시되어 있다. 여기서, 제2 집전체층(112)이 3차원 전극구조체의 내측으로 들어간 크기(h2)는 대략 10㎛ 이하가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
이차전지(100)의 단위셀(110)은 제1 집전체층(111)으로부터 연장되게 마련되는 제1 리드선(111a)과 제2 집전체층(112)으로부터 연장되게 마련되는 제2 리드선(112a)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 리드선(111a,112a)은 각각 제1 및 제2 집전체층(111,112)과 동일한 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 다른 물질을 포함할 수도 있다.
제1 리드선(111a) 중에서 제1 집전체층(111)과 연결되는 부분에는 제1 절연부재(151)가 마련될 수 있으며, 제2 리드선(112a) 중에서 제2 집전체층(112)과 연결되는 부분에는 제2 절연부재(152)가 마련될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 절연부재(151,152)는 제1 및 제2 리드선(111a,112a)의 길이 방향을 따라 대략 1mm ~ 1cm 정도의 길이를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 제1 및 제2 절연부재(151,152)는 제1 및 제2 리드선(111a,112a)의 길이 방향을 따라 1mm ~ 4mm 정도의 길이를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 이러한 제1 및 제2 절연부재(151,152)로는 예를 들면, 증착막 또는 접착 테이프 등이 사용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 전술한 단위셀(110,110')을 복수개로 마련한 다음, 이 단위셀들(110,110')을 수직으로 적층함으로써 고용량의 이차전지(100)를 제작할 수 있다. 본 실시예에 따른 이차전지(100)에서는 서로 인접한 단위셀들(110,110')이 서로 대칭이 되도록 적층될 수 있다. 즉, 서로 인접한 단위셀들(110,100')은 같은 극성의 집전체층들(111,112)이 서로 마주보도록 적층될 수 있다. 도 1 및 도 2에서 단위셀(110')는 단위셀(110)의 상하를 뒤집은 상태를 도시한 것이다. 이에 따라, 서로 인접하여 적층된 단위셀들(110,110')에서는 제1 집전체층들(111)이 서로 마주 보면서 접촉하게 되며, 제2 집전체층들(112)도 서로 마주 보면서 접촉하게 된다.
전술한 바와 같이, 제1 집전체층(111)은 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다. 제1 집전체층(111)이 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 이차전지(100)의 외부로 제1 집전체층(111)이 돌출되어 노출될 수 있다.
그리고, 제2 집전체층(112)은 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다. 제2 집전체층(112)이 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 제2 집전체층(112)이 이차전지(100)의 내측에 마련됨으로써 이차전지(100)의 외부로 노출되지 않을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 높은 종횡비를 가지는 제1 활물질층(121)을 이용하여 3차원 구조의 단위셀들(110,110')을 제작하고, 이러한 단위셀들(110,110')을 같은 극성을 가지는 집전체들(111,112)이 서로 마주 보도록 적층함으로써 에너지 밀도(energy density) 및 율특성(rate capability)이 향상된 고용량의 이차전지(100)를 구현할 수 있다.
더구나, 절연 물질을 포함하는 고체 전해질막(130)의 외측면을 외부로 노출시킴으로써 3차원 전극구조체의 노출된 외측면이 절연성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 제2 활물질층(122)이 제1 집전체층(111)이나 제1 리드선(111a)과 접촉하여 단락(short circuit)을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 집전체층(112)을 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지도록 마련하여 제2 집전체층(112)이 이차전지(100)의 외부로 노출되지 않게 함으로써 제2 집전체층(112)이 제1 집전체층(111)이나 제1 리드선(111a)과 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 제1 집전체층(111)과 연결되는 제1 리드선(111a)에는 제1 절연부재(151)를 마련하고 제2 집전체층(112)과 연결되는 제2 리드선(112a)에는 제2 절연부재(152)를 마련함으로써 제1 및 제2 리드선(111a,112a)이 다른 극성의 요소들과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 외측에 절연성이 확보된 고용량의 이차전지(100)는 그 수명이 증대될 수 있으므로 모바일 기기나 웨이러블 기기 등에 장시간 활용할 수 있다.
이상에서는 제1 및 제2 집전체층(111,112)이 양극 및 음극 집전체층이 되고, 제1 및 제2 활물질층(121,122)이 양극 및 음극 활물질층이 되는 경우는 설명하였다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않고 제1 및 제2 집전체층(111,112)이 음극 및 양극 집전체층이 되고, 제1 및 제2 활물질층(121,22)이 음극 및 양극 활물질층이 되는 경우도 얼마든지 구현이 가능하다.
한편, 이상에서는 이차전지(100) 외측의 절연성 확보를 위해 3가지의 기술적 구성, 즉, 첫째, 3차원 전극구조체의 외측면이 절연성을 가지도록 한 구성, 둘째, 제2 집전체층(112)을 3차원 전극구조체의 외부로 노출되지 않게 한 구성, 셋째, 제1 및 제2 리드선(111a,112a)에 제1 및 제2 절연 부재(151,152)를 마련한 구성이 언급되었다. 이차전지(100) 외측의 절연성은 전술한 3가지 기술적 구성 중에서 적어도 하나만을 구비하여도 확보될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 전술한 3가지 기술적 구성을 모두 구비함으로써 이차전지(100) 외측의 절연성을 보다 향상시키는 방안이 예시적으로 설명되었다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 단위셀을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 이차전지의 단위셀(210)은 제1 집전체층(211)과, 제1 집전체층(211)에 마련되는 3차원 전극구조체와, 3차원 전극구조체에 마련되는 제2 집전체층(212)을 포함할 수 있다.
제1 집전체층(211)은 예를 들면, Al, Ni 등과 같은 집전 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 3차원 전극구조체는 제1 집전체층(211)의 상면에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층(221)과, 제1 활물질층(221)에 마련되는 고체 전해질막(230)과, 고체 전해질막(230)에 마련되는 제2 활물질층(222)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 활물질층들(221) 각각은 높은 종횡비를 가지는 3차원 구조물을 포함할 수 있다. 이러한 제1 활물질층(221)은 예를 들면 LiMO2 (여기서, M은 Co, Ni 및 Mn 중 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
고체 전해질막(230)은 다수의 제1 활물질층(221)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다. 이 고체 전해질막(230)은 제1 활물질층들(221) 사이의 제1 집전체층(211)의 상면도 덮도록 마련될 수 있다. 고체 전해질막(230)은 예를 들면 Li 기반의 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 고체 전해질막(230)은 LiPON 또는 LiSiPON 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 활물질층(222)은 고체 전해질막(230)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다. 이러한 제2 활물질층(222)은 예를 들면 Li 등을 포함할 수 있지만. 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 활물질층(222)의 외측면에는 절연막(240)이 마련될 수 있다. 이러한 절연막(240)은 예를 들면 LiPON 또는 LiSiPON 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 이와 같이, 제2 활물질층(222)의 외측면에 절연막(240)이 마련됨으로써 3차원 전극구조체의 외측면은 절연성을 가질 수 있다. 그리고, 제2 집전체층(212)은 제2 활물질층(222)의 상면에 마련될 수 있다. 이러한 제2 집전체층(212)은 금속 호일을 제2 활물질층(222)의 상면에 부착함으로써 마련될 수 있다.
제1 집전체층(211)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다. 제1 집전체층(211)이 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 경우에 제1 집전체층(211)은 3차원 전극구조체의 외부로 돌출되게 마련될 수 있다. 그리고, 제2 집전체층(212)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다. 제2 집전체층(212)이 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 경우에 제2 집전체층(212)은 3차원 전극구조체의 내측에 마련될 수 있다.
한편, 도 5에는 도시되어 있지 않으나, 제1 리드선이 제1 집전체층(211)으로부터 연장되게 마련될 수 있으며, 제2 리드선이 제2 집전체층(212)으로부터 연장되게 마련될 수 있다. 여기서, 제1 리드선 중에서 제1 집전체층(211)과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련될 수 있으며, 제2 리드선 중에서 제2 집전체층(212)과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련될 수 있다.
이상과 같은 단위셀(210)을 복수개로 마련한 다음, 복수개의 단위셀(210)을 수직으로 적층함으로써 고용량의 이차전지를 제작할 수 있다. 여기서, 서로 인접한 단위셀들(210)은 같은 극성의 집전체층들(211,212)이 서로 마주보도록 적층될 수 있다. 이에 따라, 서로 인접하여 적층된 단위셀들(210)에서는 제1 집전체층들(211)이 서로 마주 보면서 접촉하게 되며, 제2 집전체층들(212)도 서로 마주 보면서 접촉하게 된다.
본 실시예에서도 전술한 실시예에서와 같이 3차원 구조의 단위셀들(210)을 제작하고, 이러한 단위셀들(210)을 같은 극성을 가지는 집전체층들(211,212)이 서로 마주 보도록 적층함으로써 에너지 밀도 및 율특성이 향상된 고용량의 이차전지를 구현할 수 있다. 또한, 3차원 전극구조체의 외측면에 절연막(240)을 형성하고, 제2 집전체층(212)을 이차전지의 외부로 노출시키지 않으며, 제1 및 제2 리드선에 제1 및 제2 절연부재를 마련함으로써 이차전지에서 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 단위셀을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 이차전지의 단위셀(310)은 제1 집전체층(311)과, 제1 집전체층(311)에 마련되는 3차원 전극구조체와, 3차원 전극구조체에 마련되는 제2 집전체층(312)을 포함할 수 있다.
3차원 전극구조체는 제1 집전체층(311)의 상면에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층(321)과, 제1 활물질층(321)에 마련되는 고체 전해질막(330)과, 고체 전해질막(330)에 마련되는 제2 활물질층(322)을 포함할 수 있다. 제1 활물질층(321)은 높은 종횡비를 가지는 3차원 구조물을 포함할 수 있다. 이러한 제1 활물질층(321) 내부에는 내부 집전체층(360)이 마련되어 있으며, 이 내부 집전체층(360)은 제1 집전체층(311)과 전기적으로 연결되도록 마련될 수 있다. 내부 집전체층(360)은 제1 집전체층(311)과 동일한 물질을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
고체 전해질막(330)은 다수의 제1 활물질층(321)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다. 고체 전해질막(330)은 예를 들면 LiPON 또는 LiSiPON 등과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 제2 활물질층(322)은 고체 전해질막(330)의 외측면을 제외하고 고체 전해질막(330)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다.
이 제2 활물질층(322)에 의해 고체 전해질막(330)의 외측면은 외부로 노출될 수 있다. 따라서, 절연 물질을 포함하는 고체 전해질막(330)의 외측면이 외부로 노출되게 되므로, 3차원 전극구조체의 외측면은 절연성을 확보할 수 있다. 제2 집전체층(312)은 제2 활물질층(322)의 상면에 마련될 수 있다.
제1 집전체층(311)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다. 제1 집전체층(311)이 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 경우에 제1 집전체층(311)은 3차원 전극구조체의 외부로 돌출되게 마련될 수 있다. 그리고, 제2 집전체층(312)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다. 제2 집전체층(312)이 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 경우에 제2 집전체층(312)은 3차원 전극구조체의 내측에 마련될 수 있다.
한편, 도 6에는 도시되어 있지 않으나, 제1 리드선이 제1 집전체층(311)으로부터 연장되게 마련될 수 있으며, 제2 리드선이 제2 집전체층(312)으로부터 연장되게 마련될 수 있다. 여기서, 제1 리드선 중에서 제1 집전체층(311)과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련될 수 있으며, 제2 리드선 중에서 제2 집전체층(312)과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련될 수 있다.
이상에서 설명된 단위셀(310)을 복수개로 마련한 다음, 이 단위셀들(310)을 수직으로 적층함으로써 고용량의 이차전지를 제작할 수 있다. 여기서, 서로 인접한 단위셀들(310)은 같은 극성의 집전체층들(311,312)이 서로 마주보도록 적층될 수 있다. 이에 따라, 서로 인접하여 적층된 단위셀들(310)에서는 제1 집전체층들(311)이 서로 마주 보면서 접촉하게 되며, 제2 집전체층들(312)도 서로 마주 보면서 접촉하게 된다.
이상에서는 고체 전해질막(330)의 외측면을 외부로 노출시킴으로써 3차원 전극구조체의 외측면이 절연성을 확보하는 경우가 설명되었다. 하지만, 제2 활물질층(322)을 고체 전해질막(330)의 전 표면을 덮도록 형성하고, 이 제2 활물질층(322)의 외측면에 절연막(미도시)을 마련함으로써 3차원 전극구조체의 외측면이 절연성을 확보할 수도 있다.
본 실시예에 따른 이차전지도 전술한 실시예에서와 에너지 밀도 및 율특성이 향상된 고용량의 이차전지를 구현할 수 있으며, 단락을 방지할 수 있는 절연성을 확보할 수 있다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 단위셀을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 이차전지의 단위셀(410)은 제1 집전체층(411)과, 제1 집전체층(411)에 마련되는 3차원 전극구조체와, 3차원 전극구조체에 마련되는 제2 집전체층(412)을 포함할 수 있다.
3차원 전극구조체는 다수의 제1 활물질층(421a) 및 제1 바닥 활물질층(421b), 고체 전해질막(430) 및 제2 활물질층(422)을 포함할 수 있다. 제1 활물질층들(421a)은 제1 집전체(411)의 상면에 마련되어 있으며, 제1 바닥 활물질층(421b)은 제1 활물질층들(421a)을 연결하도록 제1 집전체층(411)의 상면에 마련되어 있다. 여기서, 제1 활물질층(421a)은 높은 종횡비를 가지는 3차원 구조물을 포함할 수 있다. 제1 바닥 활물질층(421b)은 제1 활물질층(421a)과 동일한 물질을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
고체 전해질막(430)은 제1 활물질층들(421a) 및 제1 바닥 활물질층(421b)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다. 고체 전해질막(430)은 예를 들면 LiPON 또는 LiSiPON 등과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
제2 활물질층(422)은 고체 전해질막(430)의 외측면을 제외하고 고체 전해질막(430)의 표면을 덮도록 마련될 수 있다. 이러한 제2 활물질층(422)에 의해 고체 전해질막(430)의 외측면은 외부로 노출될 수 있다. 따라서, 절연 물질을 포함하는 고체 전해질막(430)의 외측면이 외부로 노출되게 되므로, 3차원 전극구조체의 외부로 노출된 외측면은 절연성을 확보할 수 있다. 그리고, 제2 집전체층(412)은 제2 활물질층(422)의 상면에 마련될 수 있다.
제1 집전체층(411)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다. 제1 집전체층(411)이 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 경우에 제1 집전체층(411)은 3차원 전극구조체의 외부로 돌출되게 마련될 수 있다. 그리고, 제2 집전체층(412)은 3차원 전극구조체과 같은 크기를 거지거나 또는 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다. 제2 집전체층(412)이 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 경우에 제2 집전체층(412)은 3차원 전극구조체의 내측에 마련될 수 있다.
한편, 도 7에는 도시되어 있지 않으나, 제1 리드선이 제1 집전체층(411)으로부터 연장되게 마련될 수 있으며, 제2 리드선이 제2 집전체층(412)으로부터 연장되게 마련될 수 있다. 여기서, 제1 리드선 중에서 제1 집전체층(411)과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련될 수 있으며, 제2 리드선 중에서 제2 집전체층(412)과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련될 수 있다.
이상과 같은 단위셀(410)을 복수개로 마련한 다음, 이 단위셀들(410)을 수직으로 적층함으로써 고용량의 이차전지를 제작할 수 있다. 여기서, 서로 인접한 단위셀들(410)은 같은 극성의 집전체층들(411,412)이 서로 마주보도록 적층될 수 있다. 이에 따라, 서로 인접하여 적층된 단위셀들(410)에서는 제1 집전체층들(411)이 서로 마주 보면서 접촉하게 되며, 제2 집전체층들(412)도 서로 마주 보면서 접촉하게 된다.
이상에서는 고체 전해질막(430)의 외측면을 외부로 노출시킴으로써 3차원 전극구조체의 외측면이 절연성을 확보하는 경우가 설명되었다. 하지만, 제2 활물질층(422)을 고체 전해질막(430)의 전 표면을 덮도록 형성하고, 이 제2 활물질층(422)의 외측면에 절연막(미도시)을 마련함으로써 3차원 전극구조체의 외측면이 절연성을 확보할 수도 있다.
본 실시예에 따른 이차전지도 에너지 밀도 및 율특성이 향상된 고용량의 이차전지를 구현할 수 있으며, 단락을 방지할 수 있는 절연성을 확보할 수 있다.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다. 도 8에 도시된 이차전지(500)는 같은 극성의 집전체들(111.112)이 일체로 형성된 점을 제외하면 도 1에 도시된 이차전지(100)와 동일하다.
도 8을 참조하면, 서로 인접하게 적층된 단위셀들(110,110') 사이에서는 제1 집전체층(111)이 일체로 형성되거나 제2 집전체층(112)이 일체로 형성되어 있다. 이에 따라, 서로 인접하게 적층된 단위셀들(110,110')은 하나의 제1 집전체층(111)을 서로 공유하거나 또는 하나의 제2 집전체층(112)을 서로 공유할 수 있다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다. 도 9에 도시된 이차전지(600)는 단위셀들(110,110')을 감아서 고정시키는 고정 부재들(671,672)를 포함한다는 점을 제외하면 도 1에 도시된 이차전지(100)와 동일하다.
도 9를 참조하면, 수직으로 적층된 단위셀들(110,110')의 일측을 제1 고정부재(671)가 감아서 단위셀들(110,110')을 고정할 수 있으며, 단위셀들(110,110')의 타측은 제2 고정부재(672)가 감아서 단위셀들(110,110')고정할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 고정부재(671,672)로는 예를 들면, 열수축형 필름 또는 접착성 고분자 필름 등이 사용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 및 제2 고정 부재(671,672)는 예를 들면 대략 20㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만 이는 단지 예시적인 것이다. 이와 같이, 제1 및 제2 고정 부재(671,672)를 이용하여 단위셀들(110,110')을 감아서 고정하게 되면 단위셀들(110,110')이 정렬되어 고정된 상태를 유지할 수 있다. 한편, 도 9에는 단위셀들을 고정하는 고정 부재들이 2개인 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 고정 부재들의 개수는 다양하게 변형될 수 있다.
도 10a 내지 도 16은 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 10a 및 도 10b는 제1 집전체층(711)에 다수의 제1 활물질층(721)을 부착한 상태를 도시한 단면도 및 사시도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 도전성 접착제(미도시)를 이용하여 제1 집전체층(711)의 상면에 다수의 제1 활물질층(721)을 부착한다. 제1 집전체층(711)은 예를 들면 양극 집전체층이 될 수 있다. 이러한 제1 집전체층(711)은 예를 들면, Al, Ni 등과 같은 집전 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 활물질층들(721)은 후술하는 3차원 전극구조체를 형성하는 것으로, 높은 종횡비를 가지는 3차원 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 활물질층들(721) 각각은 1:1 이상의 종횡비를 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 활물질층(721)은 예를 들면 양극 활물질층이 될 수 있다. 제1 활물질층(721)은 예를 들면 LiMO2 (여기서, M은 Co, Ni 및 Mn 중 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
제1 집전체층(711)은 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다. 이를 위해, 제1 집전체층(711)은 제1 활물질층들(721)과 같은 크기를 가지거나 제1 활물질층들(721)보다 큰 크기를 가질 수 있다. 도 10a 및 도 10b에는 제1 집전체층(711)이 제1 활물질층들(721)보다 큰 크기를 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 제1 집전체층(711)에는 제1 리드선(711a)이 연장되어 마련되어 있다. 이러한 제1 리드선(711a) 중 제1 집전체층(711)과 연결되는 부분에는 제1 절연 부재(751)가 마련될 수 있다. 여기서, 제1 절연부재(751)는 제1 리드선(111a)의 길이 방향을 따라 대략 1mm ~ 1cm 정도의 길이를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 제1 절연부재(751)는 제1 리드선(711a)의 길이 방향을 따라 1mm ~ 4mm 정도의 길이를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 이러한 제1 절연부재(751)로는 예를 들면, 증착막 또는 접착 테이프 등이 사용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 활물질층들(721) 사이에 일정한 간격으로 복수의 격벽층(790)이 더 마련될 수 있다. 여기서, 격벽층들(790)은 높은 종횡비를 가지는 제1 활물질층들(721)이 변형되지 않고 균일한 간격으로 배열될 수 있도록 제1 활물질층들(721)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 이와 같이 제1 활물질층들(721)이 균일한 간격으로 배열됨에 따라 후술하는 고체 전해질막(730) 및 제2 활물질층(722) 또한 균일하게 형성될 수 있으며, 전기 화학 반응의 균일화 및 구조의 안정성으로 인해 이차전지의 용량 및 수명이 증대될 수 있다. 또한, 격벽층들(790)이 제1 활물질층들(721)과 수직 방향으로 마련되어 제1 활물질층들(721)을 지지함으로써 이차전지의 구동 시 제1 활물질층(721)의 두께 방향으로의 팽창 및 수축에 의한 이차전지의 변형을 억제함으로써 이차전지의 수명을 증대시킬 수 있다. 그리고, 격벽층들(790)은 제1 활물질층들(721)과 동일한 물질로 형성됨으로써 활물질 부피 분율이 증가하고 이에 따라 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 제1 활물질층(721) 내에 내부 집전체(미도시)가 마련되거나 또는 제1 활물질층들(721) 사이를 연결하는 제1 바닥 활물질층(미도시)이 제1 집전체층(711)의 상면에 마련될 수도 있다.
도 11a 및 도 11b는 다수의 제1 활물질층에 고체 전해질막을 형성한 상태를 도시한 단면도 및 사시도이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제1 활물질층들(721)의 표면을 덮도록 고체 전해질막(730)을 형성한다. 고체 전해질막(730)은 절연성 물질, 예를 들면 Li 기반의 절연성 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 고체 전해질막(730)은 LiPON 또는 LiSiPON 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 고체 전해질막은 예를 들면, 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 또는 플라즈마 화학기상증착(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등에 의해 제1 활물질층들(71)의 표면에 Li 기반의 절연성 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 고체 전해질막에 제2 활물질층을 형성한 상태를 도시한 단면도 및 사시도이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 고체 전해질막(730)의 외측면을 제외하고 고체 전해질막(730)의 표면을 덮도록 제2 활물질층(722)을 형성한다. 이러한 제2 활물질층(722)은 예를 들면 화학기상증착 또는 증발법(evaporation)에 의해 고체 전해질막(730)의 표면에 Li를 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 여기서, 마스크(미도시)를 이용하여 고체 전해질막(730)의 외측면은 제외하고 제2 활물질층(722)이 고체 전해질막(730)의 표면에 형성될 수 있다. 이에 따라, 절연 물질을 포함하는 고체 전해질막(730)의 외측면은 외부로 노출될 수 있다.
이상과 같이, 제1 집전체층(711)의 상면에 수직으로 형성된 다수의 제1 활물질층(721), 제1 활물질층들(721)의 표면에 형성된 고체 전해질막(730) 및 고체 전해질막(730)의 표면에 형성된 제2 활물질층(722)이 3차원 전극구조체를 구성할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 제2 활물질층의 상면에 제2 집전체층을 형성한 상태를 도시한 단면도 및 사시도이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 제2 활물질층(722)의 상면에 제2 집전체층(712)을 형성한다. 제2 집전체층(712)은 예를 들면, 음극 집전체층이 될 수 있다. 제2 집전체층(712)은 예를 들면, Cu 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 이러한 제2 집전체층(712)은 금속 호일을 제2 활물질층(722)의 상면에 부착함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 금속 호일은 예를 들면 대략 3㎛ ~ 10㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 집전체층(712)은 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다. 도 13a 및 도 13b에는 제2 집전체층(712)이 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 이 경우, 제2 집전체층(712)은 3차원 전극구조체의 내측에 마련될 수 있다. 여기서 제2 집전체층(712)이 3차원 전극구조체의 내측으로 들어간 크기는 대략 10㎛ 이하가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
전술한 바와 같아. 제1 집전체층(712)이 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 경우에는 제1 집전체층(711)은 3차원 전극구조체의 외부로 돌출되게 마련될 수 있다. 여기서, 제1 집전체층(711)이 돌출된 크기는 대략 500㎛ ~ 3mm 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 13b에 도시된 바와 같이, 제2 집전체층(712)에는 제2 리드선(712a)이 연장되어 마련되어 있다. 이러한 제2 리드선(712a) 중 제2 집전체층(712)과 연결되는 부분에는 제2 절연 부재(752)가 마련될 수 있다. 여기서, 제2 절연부재(752)는 제2 리드선(712a)의 길이 방향을 따라 대략 1mm ~ 1cm 정도의 길이를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 제2 절연부재(752)는 제2 리드선(712a)의 길이 방향을 따라 1mm ~ 4mm 정도의 길이를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 이러한 제2 절연부재(752)로는 예를 들면, 증착막 또는 접착 테이프 등이 사용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이상과 같이, 제2 활물질층(722)의 상면에 제2 집전체층(712)을 형성함으로써 이차전지의 단위셀(710)이 완성될 수 있다.
도 14는 정렬용 지그 내에서 복수개의 단위셀을 적층한 모습을 도시한 사시도이다.
도 14를 참조하면, 전술한 바와 같은 단위셀(710)을 복수개로 제작한 다음, 이 복수개의 단위셀(710,710')을 정렬용 지그(alignment jig, 770) 내에 순차적으로 배치함으로써 단위셀들(710,710')을 정렬한다.
서로 인접한 단위셀들(710,710')이 서로 대칭이 되도록 적층될 수 있다. 즉, 서로 인접한 단위셀들(710,710')은 같은 극성의 집전체층들(711,712)이 서로 마주보도록 적층될 수 있다. 도 14에서 단위셀(710')는 단위셀(710)의 상하를 뒤집은 상태를 도시한 것이다. 이에 따라, 서로 인접하여 적층된 단위셀들(710,710')에서는 제1 집전체층들(711)이 서로 마주 보면서 접촉하게 되며, 제2 집전체층들(712)도 서로 마주 보면서 접촉하게 된다.
도 15는 정렬용 지그 내에서 정렬된 단위셀들의 일측을 제1 고정 부재로 감아서 고정한 모습을 도시한 사시도이다.
도 15를 참조하면, 정렬용 지그(770) 내에 단위셀들(710,710')을 적층하여 정렬한 다음, 적층된 단위셀들(710,710')의 일측을 제1 고정 부재(781)로 감아서 고정한다. 여기서, 제1 고정 부재(781)는 예를 들면, 열수축형 필름 또는 접착성 고분자 필름 등이 사용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 제1 고정 부재(781)는 예를 들면 대략 20㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
도 16은 정렬된 단위셀들의 타측을 제2 고정 부재로 감아서 고정한 모습을 도시한 사시도이다.
도 16을 참조하면, 적층된 단위셀들(710,710')의 일측이 제1 고정 부재(781)에 의해 고정된 상태에서 정렬용 지그(770)를 제거한 다음, 적층된 단위셀들(710,710')의 타측을 제2 고정 부재(782)로 감아서 고정된다. 여기서, 제2 고정부재(782)는 제1 고정부재(781)와 마찬가지로 예를 들면, 열수축형 필름 또는 접착성 고분자 필름 등이 사용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 제1 및 제2 고정 부재(781,782)로 적층된 단위셀들(710,710')을 감아서 고정하게 되면 단위셀들(710,710')이 정렬되어 고정된 상태를 유지할 수 있다. 한편, 도면에는 단위셀들(710,170')을 고정하는 고정 부재들(781,782)이 2개인 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 고정 부재들의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 이상과 같이, 고정 부재들을 이용하여 단위셀들(710,710')을 감아서 고정함으로써 이차전지(700)를 완성할 수 있다.
이상과 같이, 높은 종횡비를 가지는 제1 활물질층(721)을 이용하여 3차원 구조의 단위셀들(710,710')을 제작하고, 이러한 단위셀들(710,710')을 같은 극성을 가지는 집전체들(711,712)이 서로 마주 보도록 적층함으로써 에너지 밀도(energy density) 및 율특성(rate capability)이 향상된 고용량의 이차전지(700)를 구현할 수 있다.
또한, 절연 물질을 포함하는 고체 전해질막(730)의 외측면을 외부로 노출시킴으로써 이차전지(700)의 외측면이 절연성을 확보할 수 있다. 또한, 제2 집전체층(712)을 이차전지(700)의 외부로 노출되지 않게 함으로써 제2 집전체층(712)이 제1 집전체층(711)이나 제1 리드선(711a)과 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 리드선(711a,712a)에 제1 및 제2 절연 부재(751,752)를 마련함으로써 제1 및 제2 리드선(711a,712a)이 다른 극성의 요소들과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 외측에 절연성이 확보된 고용량의 이차전지(700)를 구현할 수 있다.
이상에서는 제1 및 제2 집전체층(711,712)이 양극 및 음극 집전체층이 되고, 제1 및 제2 활물질층(721,722)이 양극 및 음극 활물질층이 되는 경우는 설명하였다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않고 제1 및 제2 집전체층(711,712)이 음극 및 양극 집전체층이 되고, 제1 및 제2 활물질층(721,722)이 음극 및 양극 활물질층이 되는 경우도 얼마든지 구현이 가능하다.
한편, 이상의 실시예에서는 인접하게 적층된 단위셀들(710,710')이 각각에 대응하여 집전체층들(711,712)이 마련되는 경우가 설명되었다. 하지만, 이에 한정되지 않고 서로 인접하게 적층된 단위셀들(710,710') 사이에서는 집전체층들(711,712)이 일체로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 서로 인접하게 적층된 단위셀들(710,710')은 하나의 제1 집전체층(711)을 서로 공유하거나 또는 하나의 제2 집전체층(712)을 서로 공유할 수도 있다.
도 17 내지 도 21은 다른 예시적인 실시예에 따른 이차전지의 제조방법을 설명하는 도면들이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 17을 참조하면, 도전성 접착제(미도시)를 이용하여 제1 집전체층(811)의 상면에 다수의 제1 활물질층(821)을 부착한다. 제1 활물질층들(821)은 후술하는 3차원 전극구조체를 형성하는 것으로, 높은 종횡비를 가지는 3차원 구조물을 포함할 수 있다. 제1 집전체층(811)은 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가질 수 있다.
한편, 제1 집전체층(811)에는 제1 리드선(미도시)이 연장되어 마련되어 있으며, 이러한 제1 리드선 중 제1 집전체층(811)과 연결되는 부분에는 제1 절연 부재(미도시)가 마련될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 제1 활물질층(821) 내에 내부 집전체(미도시)가 더 마련되거나 또는 제1 활물질층들(821) 사이를 연결하는 제1 바닥 활물질층(미도시)이 제1 집전체층(811)의 상면에 더 마련될 수도 있다.
도 18을 참조하면, 제1 활물질층들(821)의 표면을 덮도록 고체 전해질막(830)을 형성한다. 고체 전해질막(830)은 절연성 물질, 예를 들면 Li 기반의 절연성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 고체 전해질막(830)은 예를 들면, 화학기상증착(CVD) 또는 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 등에 의해 제1 활물질층들(821)의 표면에 Li 기반의 절연성 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다.
도 19를 참조하면, 고체 전해질막(830)의 전 표면에 제2 활물질층(822)을 형성한다. 이러한 제2 활물질층(822)은 고체 전해질막(830)의 표면에 Li를 증착시킴으로써 형성될 수 있다.
도 20을 참조하면, 제2 활물질층(822)의 외측면에 절연막(840)을 형성한다. 이러한 절연막(840)은 제2 활물질층(822)의 외측면에 절연성 물질, 예를 들면 Li 기반의 절연성 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 이상과 같이, 제1 집전체층(811)의 상면에 수직으로 형성된 다수의 제1 활물질층(821), 제1 활물질층들(821)의 표면에 형성된 고체 전해질막(830), 고체 전해질막(830)의 표면에 형성된 제2 활물질층(822) 및 제2 활물질층(822)의 측면에 형성된 절연막(840)이 3차원 전극구조체를 구성할 수 있다.
도 21을 참조하면, 제2 활물질층(822)의 상면에 제2 집전체층(812)을 형성한다. 이러한 제2 집전체층(812)은 금속 호일을 제2 활물질층(822)의 상면에 부착함으로써 형성될 수 있다. 제2 집전체층(812)은 3차원 전극구조체와 같은 크기를 가지거나 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가질 수 있다.
한편, 제2 집전체층(812)에는 제2 리드선(미도시)이 연장되어 마련되어 있으며, 이러한 제2 리드선 중 제2 집전체층(812)과 연결되는 부분에는 제2 절연 부재(미도시)가 마련될 수 있다. 제2 활물질층(822)의 상면에 제2 집전체층(812)을 형성함으로써 이차전지의 단위셀(810)이 완성될 수 있다.
그리고, 이상과 같은 단위셀(810)을 복수개로 제작한 다음, 이 복수개의 단위셀(810)을 전술한 바와 같이, 정렬용 지그 내에서 정렬하여 적층한 다음, 정렬되어 적층된 단위셀들을 고정 부재를 이용하여 감아서 고정함으로써 이차전지를 완성할 수 있다.
100,500,600,700.. 이차전지
110,110',210,310,410,710,810.. 단위셀
111,211,311,411,711,811.. 제1 집전체층
111a.211a,311a,411a.711a.. 제1 리드선
112,212,312,412,712,812.. 제1 집전체층
112a,212a,312a,412a,712a.. 제2 리드선
121,221,321,421,721,821.. 제1 활물질층
122,222,322,422,722,822.. 제2 활물질층
130,230,330,430,730,830.. 고체 전해질막
151,251,351,451,751.. 제1 절연부재
152,252,352,452,752.. 제2 절연부재
240,840,.. 절연막
770.. 정렬용 지그
790.. 격벽층

Claims (25)

  1. 복수개의 단위셀이 적층된 이차전지에 있어서,
    상기 단위셀들 각각은,
    서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층; 및
    상기 제1 및 제2 집전체층 사이에 마련되는 것으로, 외부로 노출된 외측면이 절연되도록 마련된 3차원 전극구조체;를 포함하고,
    상기 단위셀들은 상기 제1 집전체층들이 서로 마주보고, 상기 제2 집전체층들이 서로 마주 보도록 적층되는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 것으로 절연물질을 포함하는 고체 전해질막, 및 상기 고체 전해질막에 마련되며 상기 고체 전해질막의 외측면을 노출시키는 제2 활물질층을 포함하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 고체 전해질막, 상기 고체 전해질막에 마련되는 제2 활물질층, 및 상기 제2 활물질층의 외측면에 마련되는 절연막을 포함하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위셀들 각각은 상기 제1 집전체층으로부터 연장된 제1 리드선 및 상기 제2 집전체층으로부터 연장된 제2 리드선을 더 포함하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 리드선 중 상기 제1 집전체층과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련되며, 상기 제2 리드선 중 상기 제2 집전체층과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련되는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차전지는 상기 적층된 단위셀들을 감아서 고정하여 지지하는 적어도 하나의 고정 부재를 더 포함하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접한 단위셀들의 서로 마주보는 제1 집전체층들은 일체로 형성되며, 상기 인접한 단위셀들의 제2 집전체층은 일체로 형성되는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체에 부착된 금속 호일(metal foil)을 포함하는 이차전지.
  11. 복수개의 단위셀이 적층된 이차전지에 있어서,
    상기 단위셀들 각각은,
    서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층; 및
    상기 제1 및 제2 집전체층 사이에 마련되는 3차원 전극구조체;를 포함하고,
    상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체 보다 작은 크기를 가지며,
    상기 단위셀들은 상기 제1 집전체층들이 서로 마주보고, 상기 제2 집전체층들이 서로 마주 보도록 적층되는 이차전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지는 이차전지.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 3차원 전극구조체는 외부로 노출된 외측면이 절연되도록 마련되는 이차전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 것으로 절연물질을 포함하는 고체 전해질막, 및 상기 고체 전해질막에 마련되며 상기 고체 전해질막의 외측면을 노출시키는 제2 활물질층을 포함하는 이차전지.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 고체 전해질막, 상기 고체 전해질막에 마련되는 제2 활물질층, 및 상기 제2 활물질층의 외측면에 마련되는 절연막을 포함하는 이차전지.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 단위셀들 각각은 상기 제1 집전체층으로부터 연장된 제1 리드선 및 상기 제2 집전체층으로부터 연장된 제2 리드선을 더 포함하는 이차전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 리드선 중 상기 제1 집전체층과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련되며, 상기 제2 리드선 중 상기 제2 집전체층과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련되는 이차전지.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 이차전지는 상기 적층된 단위셀들을 감아서 고정하여 지지하는 적어도 하나의 고정 부재를 더 포함하는 이차전지.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 인접한 단위셀들의 서로 마주보는 제1 집전체층들은 일체로 형성되며, 상기 인접한 단위셀들의 서로 마주보는 제2 집전체층은 일체로 형성되는 이차전지.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체에 부착된 금속 호일(metal foil)을 포함하는 이차전지.
  21. 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 집전체층; 및
    상기 제1 및 제2 집전체층 사이에 마련되는 것으로, 외부로 노출된 외측면이 절연되도록 마련된 3차원 전극구조체;를 포함하는 이차전지의 단위셀.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 것으로 절연물질을 포함하는 고체 전해질막, 및 상기 고체 전해질막에 마련되며 상기 고체 전해질막의 외측면을 노출시키는 제2 활물질층을 포함하는 이차전지의 단위셀.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 3차원 전극구조체는 상기 제1 집전체층에 수직으로 배치되는 다수의 제1 활물질층, 상기 제1 활물질층에 마련되는 고체 전해질막, 상기 고체 전해질막에 마련되는 제2 활물질층, 및 상기 제2 활물질층의 외측면에 마련되는 절연막을 포함하는 이차전지의 단위셀.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 큰 크기를 가지며, 상기 제2 집전체층은 상기 3차원 전극구조체와 같거나 상기 3차원 전극구조체보다 작은 크기를 가지는 이차전지의 단위셀.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 단위셀들 각각은 상기 제1 집전체층으로부터 연장된 제1 리드선 및 상기 제2 집전체층으로부터 연장된 제2 리드선을 더 포함하고, 상기 제1 리드선 중 상기 제1 집전체층과 연결되는 부분에는 제1 절연부재가 마련되며, 상기 제2 리드선 중 상기 제2 집전체층과 연결되는 부분에는 제2 절연부재가 마련되는 이차전지의 단위셀.
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